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CHIMICA FISICA II - Corso B (cognomi L-Z)

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PHYSICAL CHEMISTRY II

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Anno accademico 2019/2020

Codice attività didattica
MFN1167
Docenti
Prof. Bartolomeo Civalleri (Titolare del corso)
Prof. Elena Clara Groppo (Titolare del corso)
Corso di studio
Chimica e Tecnologie Chimiche
Anno
2° anno
Tipologia
Caratterizzante
Crediti/Valenza
8
SSD attività didattica
CHIM/02 - chimica fisica
Erogazione
Tradizionale
Lingua
Italiano
Frequenza
Facoltativa
Tipologia esame
Scritto
Prerequisiti
Matematiche, in particolare algebra lineare ed analisi; fisica (meccanica in particolare) ed elettromagnetismo
Mathematics, and in particularl linear algebra and analysis; physics (mechanics in particular) and electromagnetism.
Propedeutico a
Chimiche Fisiche successive; tutti i corsi che abbiano un qualche riferimento alla struttura elettronica di atomi, molecole e solidi e alle spettroscopie.

Later physical-chemical courses; all courses that have some kind of reference to the electronic structure of atoms, molecules and solids, and to spectroscopy.
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Sommario del corso

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Obiettivi formativi

Fornire gli strumenti formali e concettuali per la comprensione della complessità chimica, apertura verso l'approccio quantomeccanico alla chimica

Provide formal and conceptual tools for understanding the chemical complexity; opening to a quantum-mechanical approach to chemistry.

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Risultati dell'apprendimento attesi

Familiarità con il sistema periodico, i concetti fondamentali legati alla struttura elettronica dei sistemi di interesse chimico (atomi, molecole, solidi, liquidi,  spettroscopie).

Familiarity with the periodic system, basic concepts related to the electronic structure of the systems of chemical interest (atoms, molecules, solids, liquids, spectroscopy.

 

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Programma

  1. Richiami di matematica e di algebra lineare.
  2. Teoria dei Gruppi. Elementi e operazioni di simmetria, ordine di un gruppo. Classi. Tavola di moltiplicazione. Basi e rappresentazioni. Tavole dei caratteri e loro interpretazione vettoriale. Rappresentazioni Riducibili (RR) e loro scomposizione. Simmetria dei moti di traslazione, rotazione e vibrazione delle molecole. Attività vibrazionale IR e Raman.
  3. Introduzione alla meccanica quantistica (MQ). L’inadeguatezza della meccanica classica a scala atomica: corpo nero; effetto fotoelettrico; diffrazione di elettroni e dualismo onde/particelle; spettri atomici di emissione. Lo spettro dell’atomo di idrogeno. Il principio di indeterminazione di Heisenberg.
  4. L’equazione d’onda quantistica e l’equazione di Schröedinger (EdS). L’EdS come problema agli autovalori. Postulati della meccanica quantistica e loro significato. Funzione d’onda e probabilità. Requisiti della funzione d’onda.
  5. La MQ applicata a sistemi semplici: (a) particella nella scatola (mono- e tri-dimensionale); (b) l'oscillatore armonico (e le vibrazioni delle molecole); (c) ilrotatore rigido.
  6. I metodi approssimati e la teoria delle perturbazioni. Esempi per oscillatore anarmonico e gli atomi di H e di He. Il metodo variazionale (lineare e non): nessi con l’algebra lineare e con l’uso del calcolatore. Il metodo LCAO e la molecola di H2.
  7. Struttura atomica. L’atomo di idrogeno (trattazione breve): EdS; separazione delle variabili; soluzione esplicita della parte in φ. Autovalori e autovettori, degenerazione e rappresentazione grafica. Nodi e superfici nodali. Orbitali atomici (AO). Momento angolare e nesso con il rotatore rigido. Significato dei numeri quantici l e m. Lo Spin. Schema dei livelli e spettroscopia dell’atomo di H. La rappresentazione delle funzioni d’onda. Atomi polielettronici: aufbau e costruzione del sistema periodico. Configurazioni, stati e simboli di termine. Il principio di antisimmetria e il determinante di Slater.
  8. La molecola H2+. Impostazione dell’EdS e approssimazione di Born-Oppenheimer. Il metodo LCAO e gli orbitali molecolari dell'H2+.
  9. Semplici molecole biatomiche omo- (H2, Li2, B2, C2, N2, O2, F2) ed etero-nucleari (CO, HF ed NaCl). Ibridazione: metano, etilene ed acetilene. Il metodo di Hückel. Sistemi coniugati e delocalizzazione elettronica. Molecole aromatiche: il benzene.
  10. L’interazione materia-radiazione. Cenni sulla teoria delle perturbazioni dipendenti dal tempo. Spettroscopie di interazione campo-dipolo e magnetiche. Probabilità di assorbimento ed emissione e coefficienti di Einstein. Cenni sui LASER. Lo studio sperimentale dell’interazione materia-radiazione. Lo spettro elettromagnetico e le principali tecniche spettroscopiche.
  11. Spettri rotazionali di molecole biatomiche. Numero, disposizione ed intensità delle bande. Effetto di T (distribuzione di Boltzman).
  12. Spettri vibrazionali: approfondimenti sulla base dei modelli sviluppati nella prima parte. Introduzione alla spettroscopia Raman.
  13. Spettri elettronici. Principio di Franck-Condon e struttura vibronica. Cromofori. Fluorescenza e fosforescenza.

The course provides an introduction to the atomic and molecular quantum theories. It covers the fundamentals of quantum mechanics with its postulates and theorems. We illustrate the reference models (the free particle, the molecule that rotates or vibrates, the hydrogen atom) and techniques (variational method and perturbation theory, group theory). The electronic structure of the molecules (with references to the atomic states and the condensed state) and the information that can be drawn from the rotational and vibrational spectroscopy are the primary focus of the course.

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Modalità di insegnamento

Lezioni frontali alla lavagna con proiezione di diapositive di supporto.

Frontal lectures with the use of the blackboard and projection of support slides.

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Modalità di verifica dell'apprendimento

La prova d’esame intende verificare le conoscenze di base acquisite dallo studente sui principi e sui metodi della meccanica quantistica e le capacità (incluse quelle di ragionamento critico) nell’applicarle alla descrizione della struttura (configurazione elettronica, legami, geometria, ecc.) e delle proprietà chimico-fisiche (stabilità, proprietà elettriche, proprietà chimiche, spettroscopia, ecc.) di atomi e molecole.

L’esame consiste in una prova scritta strutturata in una serie di domande a risposta aperta e di esercizi numerici sugli argomenti dell’insegnamento. Ad ogni domanda e/o esercizio viene attribuito un punteggio parziale (in trentesimi) che tiene conto della sua specifica difficoltà, sia in termini di conoscenze richieste che di tempo necessario per la risposta. Il voto finale è dato dalla somma dei punteggi parziali, fino ad un massimo di 30/30 e Lode.

Qualora il voto finale risulti essere insufficiente (<18/30) ma non troppo lontano dalla sufficienza (>16/30) viene data facoltà allo studente di integrare lo scritto, in un lasso di tempo non superiore a 5 giorni dalla pubblicazione dei risultati, con un breve esame orale sugli argomenti risultati più critici in modo da raggiungere eventualmente la sufficienza (ovvero un voto finale pari a 18/30).

 

The exam test aims at verifying the basic knowledge acquired by the student on the principles and methods of quantum mechanics and the capabilities (including critical reasoning) in applying it to the description of the structure (electronic configuration, bonds, geometry, etc.) and of the chemical-physical properties (stability, electrical properties, chemical properties, spectroscopy, etc.) of atoms and molecules.
The exam consists of written test structured in a series of open questions and numerical exercises on the teaching topics. To each question and/or exercise a partial score is assigned (in fractions of 30) that takes into account the specific difficulty, in terms of both the required knowledge and the time needed for response. The final vote is obtained by the sum of the partial scores, up to a maximum of 30/30 and Lode.
16/30) viene data facoltà allo studente di integrare lo scritto, in un lasso di tempo non superiore a 5 giorni dalla pubblicazione dei risultati,">If the final score is insufficient (<18/30) but not too far from the sufficiency (> 16/30) it is given the faculty to the student to integrate the written test, within a period of not more than 5 days from the publication of the results, with a brief oral exam on the most critical arguments in order to reach the final vote of 18/30.

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Attività di supporto

Esercitazioni al di fuori dell'orario ufficiale. Correzione comune dei compiti per le prime sessioni d'esame.

Exercises outside the official timetable. Common correction of exam tasks after some exam sessions.
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Testi consigliati e bibliografia

Testi di riferimento:

P. Atkins & J. De Paula, Chimica Fisica, Zanichelli

 

Testi per consultazione:

- G. K. Vemulapalli, Chimica fisica, Edises.
- McQuarrie D. A.; Simon J. D., Chimica fisica. Un approccio molecolare, Zanichelli.
Versione inglese dello stesso. (N.B. Questo testo non è più in catalogo. Lo studente ne può trovare copie nella biblioteca chimica.

- Lucidi presentati a lezione.

Textbooks:

- P. Atkins & J. De Paula, Physical Chemistry, Oxford

Other textbooks:
- G. K. Vemulapalli, Physical Chemistry, Edises.
- D. A. McQuarrie; J. D. Simon, Physical Chemistry. A molecular approach, USB.
(Note: This text is not publlished anymore. Students can find copies of it in the chemistry library.

- Slides presented in class.

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Note

Frequenza non obbligatoria, ma fortemente raccomandata.

Attendance: not required, but strongly recommended.

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Ultimo aggiornamento: 09/10/2018 15:15
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